[发明专利]一种大尺寸光学陀螺楔形腔及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种大尺寸光学陀螺楔形腔及其制备方法和应用，其制备方法包括：依次在Si晶元表面构建SiOsubgt;2/subgt;氧化层和掩膜层；采用接触式紫外曝光的方式对所述掩膜层进行光刻曝光处理，清除掩膜层中的多余部分；对所述SiOsubgt;2/subgt;氧化层进行BOE腐蚀，在掩膜层内侧形成SiOsubgt;2/subgt;楔形腔，随后清除附着在所述SiOsubgt;2/subgt;楔形腔表面的掩膜层；采用XeFsubgt;2/subgt;气体对所述Si晶元表面进行刻蚀处理，在所述SiOsubgt;2/subgt;楔形腔内侧形成Si楔形腔。本发明解决了Si基材料中难以加工成型大尺寸的楔形腔的问题，可在Si基晶圆上实现特定倾角且表面平坦的楔形结构并获得超高品质因素的光学谐振，具有工艺简单、表面平整度高和易于实现等优点。

技术领域

本发明属于光学陀螺的Si基光电子器件制备技术领域，更具体地，涉及一种大尺寸光学陀螺楔形腔及其制备方法和应用。

背景技术

陀螺仪作为测量载体角加速度和姿态的重要传感器件，是惯性导航系统的重要核心部件，被广泛的应用于航天航海、制导控制、隧道施工和汽车制造等各种领域，其发展对工业领域重大科技计划的研究具有重要意义。

谐振式光学陀螺作为光学陀螺的一个发展方向，其工作原理是通过检测谐振腔中两束反向传输的光波回到出发点时的Sagnac效应引起的谐振频差的变化来计算待测物体的角加速度变化，实现角速度传感的检测；由于其具有精度高、体积小且功耗低等显著优势，被广泛研究。其中，Si基谐振式光学微腔陀螺以小型化和集成化成为未来姿态检测领域的发展趋势，其极限灵敏度主要取决于谐振腔直径D与品质因数Q值的乘积。目前，常见的硅基微腔直径为微米级。

传统的楔形谐振腔加工采用MEMS工艺，流程简单，是制备大尺寸微腔的主要结构；然而，由于受MEMS加工工艺技术的限制，微腔直径D越大，微腔结构的均匀性和表面粗糙度就越难以保证，微米级的表面粗糙度极大的减小了微腔结构的Q值。

鉴于此，有必要研究开发一种能在Si基晶圆上实现特定倾角且表面平坦的楔形结构以及获得超高品质因素(Q值)的大尺寸光学陀螺楔形腔的制备方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺陷，提供一种大尺寸光学陀螺楔形腔及其制备方法和应用。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种大尺寸光学陀螺楔形腔的制备方法，包括：

依次在Si晶元表面构建SiO₂氧化层和掩膜层；

采用接触式紫外曝光的方式对所述掩膜层进行光刻曝光处理，清除掩膜层中的多余部分；

对所述SiO₂氧化层进行BOE腐蚀，在掩膜层内侧形成SiO₂楔形腔，随后清除附着在所述SiO₂楔形腔表面的掩膜层；

采用XeF₂气体对所述Si晶元表面进行刻蚀处理，在所述SiO₂楔形腔内侧形成Si楔形腔。

在上述技术方案中，所述BOE腐蚀采用氟化氢缓冲溶液进行湿法腐蚀。

优选地，在上述技术方案中，所述氟化氢缓冲溶液为氢氟酸和氟化铵的混合水溶液。

具体地，在上述技术方案中，氟化氢缓冲溶液中氢氟酸和氟化铵的配比会影响对二氧化硅的腐蚀效果，当氢氟酸的含量过高，腐蚀速度难以控制，过快的腐蚀速度会影响楔形腔的上表面光滑程度，相反，当氢氟酸的含量过低，腐蚀速度过慢。

进一步优选地，在上述技术方案中，所述BOE腐蚀的时间为8-10h。